金屬堆內(nèi)構(gòu)件內(nèi)壁鉆孔裝置的設(shè)計

□秦沈杰

上海第一機(jī)床廠有限公司上海201308

金屬堆內(nèi)構(gòu)件內(nèi)壁鉆孔裝置的設(shè)計

□秦沈杰

上海第一機(jī)床廠有限公司上海201308

介紹了一種金屬堆內(nèi)構(gòu)件內(nèi)壁鉆孔裝置，針對內(nèi)刀架外移的懸伸結(jié)構(gòu)，利用該裝置采用液壓拉桿預(yù)緊、懸臂梁反變形安裝的方式進(jìn)行變形補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)有效變形控制。利用滾柱導(dǎo)軌塊與貼塑導(dǎo)軌間的接合面承受自重，使用鑲裝銅導(dǎo)軌的非承重面進(jìn)行導(dǎo)向，可減少磨損，提高導(dǎo)軌的耐磨性以保持精度，最終實(shí)現(xiàn)金屬堆內(nèi)構(gòu)件內(nèi)壁孔的順利加工。

1 背景及目的

高溫氣冷堆是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第四代先進(jìn)核電技術(shù)，具有安全性高、用途多樣化、模塊化建造等優(yōu)點(diǎn)。金屬堆內(nèi)構(gòu)件是高溫氣冷堆核島的關(guān)鍵主設(shè)備之一，主要用于支承由石墨構(gòu)件、炭構(gòu)件和燃料球組成的陶瓷堆芯結(jié)構(gòu)，保持堆芯穩(wěn)定。

高溫氣冷堆示范工程的金屬堆內(nèi)構(gòu)件包括堆芯殼、石墨堆芯定位支承結(jié)構(gòu)及燃料球管道系統(tǒng)。堆芯殼是一個圓柱形薄壁筒體，總高20 060 mm，除頂部法蘭段和底座外其余部分為主體段，壁厚為40 mm。限位工字鋼、防旋鍵用于石墨堆芯的定位，通過螺釘固定于堆芯殼的內(nèi)壁，防旋鍵還需配裝圓柱銷以保證周向的定位精度。由于對應(yīng)螺孔及銷孔的位置遍布整個主體段（圖1），標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的加工行程無法滿足要求，因此需要設(shè)計一臺筒體內(nèi)壁孔加工裝置。

2 總體方案

2.1 加工對象

為便于制造，將堆芯殼分為4段，其中兩段焊接為上部筒體，另兩段焊接為下部筒體，焊接后進(jìn)行熱處理，再進(jìn)行機(jī)加工。采用專門的對中工裝及焊接工藝，將上下部筒體焊為一體，保證最終環(huán)焊后的整體精度。由于受最終環(huán)焊的影響較小，內(nèi)壁的螺孔及銷孔可由所設(shè)計的裝置完成加工。

內(nèi)壁上需要加工的孔有3種：M24、M20螺紋底孔及φ8H7銷孔。孔遍布在內(nèi)徑為5 360 mm的圓柱內(nèi)壁上，各孔間的最大高度差為7 477 mm，筒體高度為10 200 mm。可見，內(nèi)壁孔具有加工范圍大、數(shù)量多的特點(diǎn)。

2.2 設(shè)計方案

利用已有的5#吊籃立車，進(jìn)行適應(yīng)性改造，如圖2所示。

2.2.1 機(jī)床的整體加高

圖1 堆芯殼

圖2 5#吊籃立車

下部筒體高度10 200 mm，已超過回轉(zhuǎn)工作臺至橫梁底部的高度（10 000 mm），所以機(jī)床需要整體加高。為提高外刀架所能車削的最大高度，在外立柱及輔助立柱的底部各增加一段支承件。與此同時，考慮到筒體調(diào)整墊的高度及筒體起吊空間（包括吊具高度、行車升降余量等），將機(jī)床整體加高2100mm。

2.2.2 橫向滑臺的設(shè)計

將筒體裝夾于5#吊籃立車的回轉(zhuǎn)工作臺上，利用回轉(zhuǎn)工作臺的分度軸對防旋鍵及限位工字鋼的中心位置進(jìn)行劃線。待加工的孔位于中心線的兩側(cè)，軸線方向與中心線平行。為保證待加工孔正確的軸線方向，需要設(shè)計一個橫向進(jìn)給的滑臺。滑臺安裝在內(nèi)刀架端面，滑臺下方安裝動力頭，橫向進(jìn)給行程設(shè)計為200 mm。

2.2.3 內(nèi)刀架的整體外移

內(nèi)刀架設(shè)計的最大車削直徑為3 930 mm，需要設(shè)計一支承件，使內(nèi)立柱及內(nèi)刀架固定在支承件上，進(jìn)而使內(nèi)刀架在安裝橫向滑臺及動力頭后能加工到內(nèi)徑5 360 mm內(nèi)壁上的孔。支承件的高度應(yīng)使內(nèi)立柱上端仍可與橫梁連接。外移后的內(nèi)刀架端面經(jīng)連接板安裝焊機(jī)，可實(shí)現(xiàn)上部筒體或下部筒體自身的內(nèi)側(cè)對接環(huán)焊。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體剛度

機(jī)床剛度是機(jī)床的基本性能之一，指機(jī)床在外加載荷下抵抗被迫變形的能力，它影響到機(jī)床工作時能否達(dá)到預(yù)定加工精度的要求。搖臂鉆床最大鉆孔直徑為25 mm時，剛度參考值為0.6～1.2 N/μm，這樣，所設(shè)計裝置的剛度值可取1.2 N/μm。參照搖臂鉆床床身、立柱的變形量占比為0.6～0.75[1]，則主要支承件的初定剛度值取1.2/0.6=2 N/μm。

3.2 內(nèi)刀架外移的支承結(jié)構(gòu)

支承座、中央墊座固定于地基上。內(nèi)刀架外移的支承結(jié)構(gòu)只能安裝于不隨回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)的支承座上。設(shè)計一個圓柱形的墊座，穿過下部筒體底座的φ1 300 mm孔，下端與支承座固定。再設(shè)計一個懸伸結(jié)構(gòu)的支承件（即圖2中的懸臂梁），下端與墊座固定，其上端安裝內(nèi)立柱及內(nèi)刀架。

3.2.1 懸臂梁的剛度

內(nèi)立柱與橫梁連接的螺栓為橫向受載，內(nèi)立柱的安裝方法是先固定底部后連接橫梁，預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦力因無法承受整個內(nèi)立柱的質(zhì)量而使螺栓在孔內(nèi)滑動。內(nèi)刀架與內(nèi)立柱質(zhì)量之和為25 t，主要由懸臂梁承受。

鉆孔軸向力按較大切削參數(shù)估算為2 260 N，主切削力為6 000 N,所以懸臂梁豎直方向載荷取25 000×9.8+6 000=251 000 N，內(nèi)刀架至頂部時距懸臂梁9 000 mm，軸向力產(chǎn)生的最大力矩為2 260×9 =20 340 N·m，徑向最大力矩為6 000×9=54 000 N·m。

通過Inventor軟件對懸臂梁進(jìn)行建模并創(chuàng)建分析，與墊座連接的圓面添加固定約束，與內(nèi)立柱連接的區(qū)域施加251 000 N負(fù)荷，以及54 000 N·m、20 340 N·m力矩，材料取低合金鋼，計算得最大形變0.052 9 mm，主要是豎直方向的形變，另外兩個方向的形變量均＜0.015 mm，如圖3所示。

形變?yōu)?.052 9 mm時，豎直方向受彎的剛度為245/0.052 9=4 631 N/μm，遠(yuǎn)大于主要支承件的初定剛度值，其它方向的剛度也能滿足鉆削要求。

圖3 懸臂梁的有限元計算

3.2.2 墊座的初始設(shè)計

墊座只受翻轉(zhuǎn)力矩，一側(cè)受壓、一側(cè)受拉。由于截面積較大，且墊座縱筋的布置與懸臂梁縱筋相對應(yīng)，因此不需考慮整體和局部的變形，只需要校核連接螺栓。

內(nèi)刀架整體移動后的質(zhì)心與墊座的中心相距1 135 mm。按受翻轉(zhuǎn)力矩螺栓組的螺栓受力計算公式，螺栓組中心為墊座中心，則所受翻轉(zhuǎn)力矩Mx=245×1 135=278 075 N·m。Li為各螺栓與螺栓組中心的距離，Lmax為螺栓與螺栓組中心的最遠(yuǎn)距離。經(jīng)計算，連接用8.8級（屈服強(qiáng)度640 MPa）的M30螺栓，F(xiàn)D最大值為141 kN。

[3]，拉力P=141 kN，桿長L=100 mm，A為桿截面積，取螺紋中徑面積，彈性模量E按碳鋼取206 GPa，計算得Δl=0.12 mm。可見，變形量較大，影響精度。

3.2.3 形變的補(bǔ)償及操作

形變補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒òㄆ胶夥āy量補(bǔ)償法、反形變法。平衡法通過施加外力抵消或減小支承件的形變，其實(shí)質(zhì)是將影響轉(zhuǎn)移至剛性高的其它支承件。測量補(bǔ)償法由傳感器測出形變量，進(jìn)而控制調(diào)整機(jī)構(gòu)作出補(bǔ)償。例如，為了補(bǔ)償磨削產(chǎn)生的熱形變，SK7420型磨床在尾架內(nèi)安裝了高精度長度計，用以測量滾珠絲杠由于磨削熱而產(chǎn)生的伸長量[4]。反形變法是通過制造工藝實(shí)現(xiàn)的，如龍門銑的橫梁，使橫梁導(dǎo)軌面的幾何形狀成為橫梁彈性位移的倒影線，從而補(bǔ)償橫梁及其導(dǎo)軌因受自身重力及滑鞍主軸系統(tǒng)重力而產(chǎn)生的彈性形變[5]。

內(nèi)刀架外移所帶來的翻轉(zhuǎn)力矩會使懸臂梁與墊座，以及墊座與支承座間都產(chǎn)生較大的連接形變，難以滿足裝置的精度要求，同時連接螺栓的強(qiáng)度安全因數(shù)也不足。

對此，采用平衡法與反形變法相結(jié)合的方式，改善支承條件。具體方法為：在橫梁頂端安裝一個支架，支架與懸臂梁間通過一根拉桿進(jìn)行預(yù)緊，這樣做實(shí)際是將懸臂梁下彎的形變量轉(zhuǎn)移至剛性高且不影響精度的橫梁上。安裝時，先調(diào)整懸臂梁的水平度，并允許其最大上翹0.05 mm；再吊裝內(nèi)立柱于懸臂梁上，因螺栓受載后的形變量大，懸臂梁會在抵消上翹的形變量后繼續(xù)下彎；此時提升拉桿使懸臂梁重新調(diào)至水平。拉桿的預(yù)緊采用M48液壓螺栓拉伸器，其最大拉力可達(dá)900 kN，超過內(nèi)刀架與內(nèi)立柱重力之和，且操作方便，并可記錄壓力值作為下一次安裝的參考值。

3.3 橫向進(jìn)給結(jié)構(gòu)

拆除內(nèi)刀架端面的車刀架，橫向滑臺的支承角架（圖4）以車刀架的定位孔為定位基準(zhǔn)，通過螺栓固定。

3.3.1 導(dǎo)軌的布置

導(dǎo)軌主要用于支承和引導(dǎo)運(yùn)動部件沿一定的軌道運(yùn)動。對于一個運(yùn)動部件的導(dǎo)向而言，需要組合應(yīng)用兩條導(dǎo)軌副[6]，才能可靠地限制運(yùn)動部件。動力頭加工孔時，導(dǎo)軌處于鎖緊狀態(tài)，不必考慮低速爬行的問題，可采用矩形與矩形組合的兩條滑動導(dǎo)軌。

3.3.2 導(dǎo)軌耐磨性

耐磨性直接影響機(jī)床的精度保持性，是導(dǎo)軌設(shè)計制造的關(guān)鍵，也是衡量機(jī)床質(zhì)量優(yōu)劣的重要標(biāo)志[7]。為提高導(dǎo)軌耐磨性，采取以下措施。

（1）矩形導(dǎo)軌面。考慮滑板及動力頭的重力較大，選擇支承角架非承重的底面及外側(cè)面作為矩形導(dǎo)軌面，只起導(dǎo)向作用，這樣可以減少磨損，利于精度保持。滑板的導(dǎo)軌面鑲裝錫青銅板，支承角架采用灰鑄鐵，匹配硬度差，可以防止嚙合磨損，提高了運(yùn)動平穩(wěn)性。機(jī)械加工表面質(zhì)量決定了工件的使用壽命，直接影響工件的耐磨性[8]。導(dǎo)軌面采用刮研方式，保證良好的表面粗糙度及接觸精度。

（2）滾柱導(dǎo)軌塊+塑料導(dǎo)軌。滾柱導(dǎo)軌塊是一種精密的直線運(yùn)動滾動元件，在重載或變載的情況下，彈性形變小，且能獲得平穩(wěn)的直線運(yùn)動，不產(chǎn)生爬行[9]。滑板及動力頭的重力依靠滾柱導(dǎo)軌塊支承，相應(yīng)的導(dǎo)軌面貼改性聚四氟乙烯-青銅-鋼背三層復(fù)合自潤滑板。自潤滑及滾動摩擦使摩擦因數(shù)變小，減小了磨損及導(dǎo)軌移動的驅(qū)動力。

3.3.3 導(dǎo)軌間隙的調(diào)整

導(dǎo)軌接合面配合的間隙對機(jī)床的工作性能有較大影響。配合過緊不僅操作費(fèi)力，還會加快磨損；配合過松則將影響運(yùn)動精度，甚至產(chǎn)生振動[10]。

圖4 橫向滑臺

導(dǎo)軌水平方向間隙通過修配兩側(cè)壓板調(diào)整。因自重形變，導(dǎo)軌豎直方向的間隙需要調(diào)整的次數(shù)較多，通過設(shè)計支承剛度高的斜楔機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

3.3.4 絲杠

絲杠選用梯形螺紋，采用一端固定一端鉸支形式。利用雙螺母軸向消隙，手輪驅(qū)動，根據(jù)絲杠螺距設(shè)計旋轉(zhuǎn)刻度盤。

3.4 墊高體

墊高體上端與外立柱、輔助立柱通過螺栓連接，下端固定于地腳螺栓。其截面、連接方式均按照外立柱、輔助立柱的結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

通過外移已有立車的內(nèi)刀架、整體加高已有立車，設(shè)計出可安裝已有動力頭的橫向滑臺，固定于內(nèi)刀架端面，使加工行程滿足要求。針對內(nèi)刀架外移的懸伸結(jié)構(gòu)，采用液壓拉桿預(yù)緊、懸臂梁反形變安裝方式進(jìn)行形變補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)有效的形變控制，為大行程加工裝置的支承件設(shè)計提供了借鑒。同時通過內(nèi)刀架安裝焊機(jī)，也實(shí)現(xiàn)了上部筒體或下部筒體自身的內(nèi)側(cè)對接環(huán)焊。

利用滾柱導(dǎo)軌塊與貼塑導(dǎo)軌間的接合面承受自身重力，使用鑲裝銅導(dǎo)軌的非承重面進(jìn)行導(dǎo)向，可減小磨損，提高橫向?qū)к壍哪湍バ砸员３志龋@樣最終解決了金屬堆內(nèi)構(gòu)件內(nèi)壁孔加工的難題。

[1]現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計手冊編委會.現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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[10]周利平.數(shù)控裝備設(shè)計[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2011.

Drilling device for inside wall of metal reactor internal was described.This device adopts an overhang structure for relocation of the internal turret,a hydraulic drawbar for pre-tightening and anti-deformation mounting of cantilever for deformation compensation in order to achieve effective deformation control.It alsouses the joint face between the roller guideway and plastic coated guideway to bear the self weight and uses non-load-bearing surface of the guideway with copper inserts for guiding,in an attempt to reduce the wear and improve the wear resistance of the guideway and maintain their accuracy.Eventually，it is possible to achieve a smooth machining inner wall bore in metal reactor components.

金屬堆內(nèi)構(gòu)件；內(nèi)壁鉆孔；懸伸結(jié)構(gòu)；變形控制；導(dǎo)軌耐磨性

MetalReactor Internal；Drilling ofthe Inner Wall；Overhang Structure；Distortion Control；Guideway Wear Property

TH213

A

1672-0555（2016）03-019-05

2016年5月

秦沈杰（1982—），男，本科，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計及核電堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)制造等工作